老师严肃地宣布:新学期要正式学习化学了,请各位同学熟悉元素周期表,最好能完整背诵它。这是大多数人第一次接触化学这门学科的场景。“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖”,这张表格是人类理性与自然规律结合的产物,是宇宙秩序的完美化身。

　　然而,人类究竟是如何发现元素的?在门捷列夫之前,人类要用什么样的符号或名字来称呼元素?化学究竟是什么?这是个跨越千年的漫长故事。英国作家保罗·斯特拉森所著的《门捷列夫之梦:从炼金术到元素周期表》,带我们回溯历史长河,见证了这张化学史上的巅峰之作诞生的全过程。

　　□悦迪

从假说到炼金术

　　人们聊到伟大的数学家时,常会说起欧拉的美丽公式、高斯尺规作图画正十七边形、阿基米德的尤里卡时刻。聊到伟大的物理学家时,也常会为如何给牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦、海森堡等大佬排座次而兴奋不已。但聊到伟大的化学家时,大脑似乎很容易卡壳,除了门捷列夫、居里夫人之外,几乎空空如也。

　　显然,化学并不是一门知识从天而降的学科。《门捷列夫之梦》把时间倒回到2500年前。彼时,古希腊哲学家们凭借观察和思考,已开始对世界本源“元素”的探寻。

　　2500年前,古希腊哲学家泰勒斯在米利都的山坡上散步,看到岩石里的贝壳化石,灵光一闪:世界最初可能全由水组成,他被认为是第一个用理性思考世界的哲学家。泰勒斯最后因为太专注看星星,失足摔下悬崖,成了哲学家总是“心不在焉”的代名词。

　　他的学生阿那克西美尼则认为,通过凝结就能变成水、土和石头的气,才是世界的基础。赫拉克利特进一步提出:世界处于永恒变化之中,火是宇宙的基本秩序。笃信火焰的赫拉克利特,晚年得了浮肿病,他把自己埋在牛粪堆里,希望借用温热排出体内积水,结果中毒而亡。

　　影响最深远的理论,由恩培多克勒提出,他认为世界由土、气、火、水四种元素构成。“四元素说”在实用方面有一定价值,因为它大致对应了固态、气态、液态和能量。恩培多克勒对此深信不疑,为了向追随者证明自己不朽,他纵身跳进了埃特纳火山的火山口,再也没出来。在“四元素说”的指引下,人类也像走进了一条无法回头的思想死胡同,一走就是两千年。

　　如果说哲学家沉迷于疯狂的猜想,那炼金术士则开始大胆地实践。不过,中世纪流行的是炼金术,它更像是玄学,而非科学。

　　炼金术士们将希腊哲学与古埃及的神秘技艺结合起来,他们的目标很直接:将贱金属转化为黄金,并找到能赋予永生、包治百病的“哲人石”或“长生不老药”。听起来异想天开,但正是这些想法推动了化学的进步。

　　在炼金术最鼎盛的阿拉伯世界,炼金术士们致力于将金属分解,并以“适当的比例”重组成黄金,他们在实验室的烟雾与蒸气中摸索,最终发现了硫酸、浓硝酸等强酸,以及酒精。这些发现,让化学拥有了真正的“试剂”,为后来科学实验奠定了基础。

　　《门捷列夫之梦》认为,在那个时代,人类作为一个整体,恰好处于“青少年时期”,对一切充满了好奇。炼金术士们的狂热,折射出人类内心深处无法抑制的求知欲与好奇心。而他们的失败和意外发现,又让人看到科学的魅力在于不断试错。科学不怕走弯路,每一次错误的尝试,都在为揭开谜底积攒经验。

告别玄学

　　科学并不总是光鲜亮丽的胜利。科学家们也会犯错,甚至固执地坚持错误,或者误入歧途,但正是这些曲折,让化学从迷雾中逐渐清晰。化学史就像一部侦探小说,充满了意想不到的转折。

　　随着科学启蒙的到来,化学终于逐渐摆脱了玄学的标签,科学家们开始系统地寻找元素。

　　罗伯特·波义耳第一次清晰定义了什么是元素:“原始的、简单的或完全未经混合的物质……既不是由任何其他物质构成,也不是由彼此构成。”他提出,任何不能被分解成更简单物质的物质就是元素。他用紫罗兰糖浆区分了酸和碱,让化学拥有了分析工具。

　　亨尼格·布兰德在蒸馏了五十桶人类尿液之后,意外地分离出了此前从未在地球上以单质状态存在的磷。卡尔·舍勒这位命运多舛的天才药剂师,一生中发现的元素,比历史上任何一位科学家都多,包括氯、钡、钼等,甚至独立制备了氧气,却因为出版商的失误而错失了优先权。拉瓦锡这位“化学界的牛顿”,坚持用天平进行精确测量,他证明了水不会变成土,并彻底推翻了统治化学界一个世纪的“燃素理论”。他证明燃烧是物质与他命名为氧气的物质结合的过程。

　　这是一个听起来很“科学”的理论。拉瓦锡为化学这门学科带来了前所未有的革命,但他本人却在另一场革命里丧生。1789年7月14日,巴黎人民攻占了巴士底狱,法国大革命爆发,拉瓦锡被当成旧时代的落后分子送上了断头台。法国数学家约瑟夫·拉格朗日得知这一消息时,留下了一句令人心酸的评论:“只要一分钟就能砍掉的那颗头,再过一百年可能也长不出一个类似的。”

　　化学家们开始用更精确的方法探索元素,试图找到隐藏在它们背后的规律,找到一个像牛顿的“万有引力”、达尔文的“进化论”那样强有力的理论,把已经发现的57种元素统一在一起。

　　德国化学教授德贝赖纳发现某些三组元素,例如氯、溴、碘,不仅性质相似,而且中间元素的原子量,恰好是另外两种元素的平均值。他据此提出了“三元组定律”,可惜这个定律只适用于极少数元素,看起来像是巧合。

　　法国学者德尚古尔多阿同时精通地质学与化学,他将元素按原子量螺旋排列在一个圆柱体上,发现性质相似的元素总是垂直对齐,他把这个现象命名为“地螺旋”。然而,由于他在出版这个理论时,使用了太过晦涩的地质学术语,而且出版商忘记了把那张最为关键的螺旋图印在书里,德尚古尔多阿的天才发现几乎无人问津。

　　“地螺旋”提出的几乎同一时间,英国化学家纽兰兹发现,如果元素按原子量排列,每隔八个元素性质就会重复,就像音乐的八度音阶。他向伦敦化学学会报告“八音律”,却遭到无情的嘲笑。

　　这些勇敢而失败的尝试,共同证明了一点:元素间必然存在某种内在的秩序。虽然他们的尝试都以失败告终,却为门捷列夫的伟大发现铺平了道路。

亦幻亦真的梦

　　1869年的一个清晨,圣彼得堡,一个留着蓬乱白胡须的化学家正坐在书桌前,手指梳理着胡须末端,盯着桌上散落的卡片,苦思着如何破解宇宙的密码。这个人就是德米特里·门捷列夫,元素周期表的创造者。门捷列夫的书房桌上堆满纸张、杯子和不明仪器,这位教授脾气暴躁,连仆人都不敢打扰他。

　　门捷列夫出生在西伯利亚,曾是多子女家庭的幼子,经历过父亲失明、辗转流浪求学的困境,甚至被诊断出肺结核,却奇迹般地痊愈。《门捷列夫之梦》认为,在如此坎坷的命运里存活下来,门捷列夫似乎注定是那个肩负起化学“全村的希望”的人。

　　1869年初,门捷列夫正在撰写他的巨著《化学原理》,他必须找到一个基本原则,来系统地排列当时已知的63种元素。在堆满杂物的书桌前,他已经冥思苦想了三天三夜。“这一切已经在我的脑子里成形了,”他痛苦地抱怨,“但我就是无法表达出来”。

　　时间紧迫,他还得赶火车去乡村开会。受到他常玩的“纸牌接龙”的启发,他将每种元素的符号、原子量和关键性质写在卡片上,在桌面上铺展开。他意识到,元素的排列规律与纸牌游戏相似:按相似性质分组,然后在组内按原子量排序。红桃、黑桃、方块、梅花,变成了卤素、氧族、氮族等。

　　在极度疲惫中,他趴在卡片堆上睡着了,随后便做了那个著名的梦。“我在梦中看到一张表,所有元素都按要求排列在一起。醒来后,我立即将它记录在纸上。”门捷列夫很快发表了这项划时代的发现。元素周期表纵向按原子量递增排列元素,横向将性质相似的元素归为一组。这张表的伟大之处,不在于它排列了已知的元素,而在于它大胆地给尚未发现的元素也留下了空位。门捷列夫预测了尚未发现的元素,例如“类铝”,甚至详细预测了其原子量和比重。

　　仅仅几年后,法国化学家勒科克·德布瓦博德兰发现了镓,其性质与门捷列夫对“类铝”的预测完全吻合。随后,德国化学家克莱门斯·温克勒发现了锗,其性质也与门捷列夫对“类硅”的预测精确匹配。至此,再无人怀疑元素周期律的普遍性和正确性。化学终于找到了它的核心理论基础。

　　在此后一个多世纪里,元素周期表经历了几次调整和重新排列,但都无可争议地保留了门捷列夫创立的基本结构。在门捷列夫推测的地方,核物理学已经通过最精密的实验证据,提供了一个整体解释。

　　1955年,第101号元素被发现,并被正式列入元素周期表。为纪念门捷列夫的伟大成就,该元素被命名为“钔”。在《门捷列夫之梦》看来,考虑到这种元素本身并不稳定,极易自发裂变,作为纪念,可谓恰如其分。

　　今天,门捷列夫梦到元素周期表的传奇故事为世人津津乐道,它似乎暗示,伟大的科学发现来自灵光一现。实际上,门捷列夫的成功,建立在人类近2500年的艰难探索、混沌积累与反复失败之上。它源于泰勒斯近乎直觉的设想,炼金术士对黄金的疯狂,以及拉瓦锡对精密仪器的执着。它也受益于三元组、地螺旋和八音律这些被人嘲笑、被出版商遗忘的“失败者”。

　　正如《门捷列夫之梦》结尾所说,化学的进步不是摘果实,人们无法通过按部就班的研究接近化学的本质。化学的进步也不是孤立的智力游戏,而是时代文明的共振。一张元素周期表背后,藏着人类对未知世界的好奇和探索。